Almaz - yarımkeçiricilərin gələcək ulduzu

Elm və texnologiyanın sürətli inkişafı və yüksək məhsuldarlıqlı və yüksək səmərəli yarımkeçirici cihazlara qlobal tələbatın artması ilə yarımkeçiricilər sənayesi zəncirinin əsas texniki həlqəsi kimi yarımkeçirici substrat materialları getdikcə daha çox əhəmiyyət kəsb edir. Onların arasında almaz, potensial dördüncü nəsil “son yarımkeçirici” material kimi, mükəmməl fiziki və kimyəvi xassələrinə görə tədricən tədqiqat nöqtəsinə və yarımkeçirici substrat materialları sahəsində yeni bazar sevimlisinə çevrilir.

Almazın xüsusiyyətləri

Almaz tipik bir atom kristalı və kovalent bağ kristalıdır. Kristal strukturu Şəkil 1(a)-da göstərilmişdir. Kovalent bağ şəklində digər üç karbon atomu ilə bağlanmış orta karbon atomundan ibarətdir. Şəkil 1(b) almazın mikroskopik dövriliyini və struktur simmetriyasını əks etdirən vahid hüceyrə quruluşudur.

Şəkil 1 Almaz (a) kristal quruluşu; (b) vahid hüceyrə quruluşu

Şəkil 2-də göstərildiyi kimi almaz unikal fiziki və kimyəvi xassələrə, mexanika, elektrik və optika sahəsində əla xüsusiyyətlərə malik dünyanın ən sərt materialıdır: Almaz ultra yüksək sərtliyə və aşınma müqavimətinə malikdir, materialları və girintiləri kəsmək üçün uyğundur və s. ., və aşındırıcı alətlərdə yaxşı istifadə olunur; (2) Almaz bu günə qədər məlum olan təbii maddələr arasında ən yüksək istilik keçiriciliyinə (2200W/(m·K)) malikdir ki, bu da silisium karbidindən (SiC) 4 dəfə, silisiumdan (Si) 13 dəfə, ondan 43 dəfə çoxdur. qallium arsenid (GaAs) və mis və gümüşdən 4-5 dəfə böyükdür və yüksək güclü cihazlarda istifadə olunur. Aşağı istilik genişlənmə əmsalı (0,8×10-6-1,5×10) kimi əla xüsusiyyətlərə malikdir.^-6K^-1) və yüksək elastik modul. Bu, yaxşı perspektivlərə malik əla elektron qablaşdırma materialıdır. 

Çuxurların hərəkətliliyi 4500 sm2·V-dir^-1·s^-1, elektron hərəkətliliyi isə 3800 sm2·V-dir^-1·s^-1, bu onu yüksək sürətli keçid cihazlarına tətbiq edir; qırılma sahəsinin gücü 13MV/sm-dir, bu da yüksək gərginlikli cihazlara tətbiq edilə bilər; Baliga ləyaqət göstəricisi 24664-ə qədər yüksəkdir ki, bu da digər materiallardan çox yüksəkdir (dəyər nə qədər böyükdürsə, keçid cihazlarında istifadə potensialı bir o qədər yüksəkdir). 

Polikristal almaz həm də dekorativ effektə malikdir. Almaz örtük təkcə flaş effektinə malik deyil, həm də müxtəlif rənglərə malikdir. Yüksək səviyyəli saatların, lüks mallar üçün dekorativ örtüklərin istehsalında və birbaşa moda məhsulu kimi istifadə olunur. Almazın gücü və sərtliyi Corning şüşəsindən 6 və 10 qat daha yüksəkdir, buna görə də mobil telefon ekranlarında və kamera linzalarında istifadə olunur.

Şəkil 2 Almaz və digər yarımkeçirici materialların xassələri

Almazın hazırlanması

Almaz artımı əsasən HTHP üsuluna (yüksək temperatur və yüksək təzyiq üsulu) və bölünürCVD üsulu (kimyəvi buxar çökmə üsulu). CVD metodu yüksək təzyiqə davamlılıq, böyük radiotezlik, aşağı qiymət və yüksək temperatur müqaviməti kimi üstünlüklərinə görə almaz yarımkeçirici substratların hazırlanmasında əsas üsula çevrilmişdir. İki böyümə metodu fərqli tətbiqlərə diqqət yetirir və onlar gələcəkdə uzun müddət bir-birini tamamlayan əlaqəni göstərəcəklər.

Yüksək temperatur və yüksək təzyiq üsulu (HTHP) qrafit tozunu, metal katalizator tozunu və aşqarları xammal düsturu ilə müəyyən edilmiş nisbətdə qarışdıraraq, sonra qranulyasiya, statik presləmə, vakuumun azaldılması, yoxlanılması, çəkisi ilə qrafit əsas sütunu etməkdir. və digər proseslər. Qrafit nüvə sütunu daha sonra almaz tək kristallarını sintez etmək üçün istifadə oluna bilən sintetik blok yaratmaq üçün kompozit blok, köməkçi hissələr və digər möhürlənmiş təzyiq ötürücü vasitələrlə yığılır. Bundan sonra isitmə və təzyiq üçün altı tərəfli üst presdə yerləşdirilir və uzun müddət sabit saxlanılır. Kristal böyüməsi başa çatdıqdan sonra istilik dayandırılır və təzyiq buraxılır və möhürlənmiş təzyiq ötürücü mühit sintetik sütunu əldə etmək üçün çıxarılır, daha sonra almaz tək kristallarını əldə etmək üçün təmizlənir və çeşidlənir.

Şəkil 3 Altı tərəfli üst presin struktur diaqramı

Metal katalizatorların istifadəsi səbəbindən sənaye HTHP üsulu ilə hazırlanmış almaz hissəcikləri çox vaxt müəyyən çirkləri və qüsurları ehtiva edir və azotun əlavə edilməsi səbəbindən onlar adətən sarı rəngə malikdir. Texnologiyanın təkmilləşdirilməsindən sonra almazların yüksək temperatur və yüksək təzyiqlə hazırlanması, almaz sənayesinin aşındırıcı sinifinin qiymətli daş sinfinə çevrilməsini həyata keçirərək, böyük hissəcikli yüksək keyfiyyətli almaz tək kristallarını istehsal etmək üçün temperatur gradient üsulundan istifadə edə bilər.

Şəkil 4 Almaz morfologiyası

Kimyəvi buxar çökdürmə (CVD) almaz filmlərinin sintezi üçün ən məşhur üsuldur. Əsas üsullara isti filament kimyəvi buxar çökmə (HFCVD) və daxildirmikrodalğalı plazma kimyəvi buxar çökmə (MPCVD).

(1) İsti filament kimyəvi buxarının çökməsi

HFCVD-nin əsas prinsipi müxtəlif yüksək aktiv “yüklənməmiş” qruplar yaratmaq üçün reaksiya qazını vakuum kamerasında yüksək temperaturlu metal məftillə toqquşdurmaqdır. Yaranan karbon atomları nanoalmazlar yaratmaq üçün substrat materialına yerləşdirilir. Avadanlığın istismarı sadədir, aşağı artım dəyərinə malikdir, geniş istifadə olunur və sənaye istehsalına nail olmaq asandır. Aşağı termal parçalanma səmərəliliyi və filament və elektroddan ciddi metal atomu çirklənməsi səbəbindən HFCVD adətən yalnız taxıl sərhədində çox miqdarda sp2 faza karbon çirkləri olan polikristal almaz filmləri hazırlamaq üçün istifadə olunur, buna görə də ümumiyyətlə boz-qara olur. .

Şəkil 5 (a) HFCVD avadanlığının diaqramı, (b) vakuum kamerasının struktur diaqramı

(2) Mikrodalğalı plazma kimyəvi buxarının çökməsi

MPCVD metodu, dalğa ötürücü vasitəsilə reaksiya kamerasına qidalanan və reaksiya kamerasının xüsusi həndəsi ölçülərinə uyğun olaraq substratın üstündə sabit dayanan dalğalar meydana gətirən xüsusi tezlikli mikrodalğalar yaratmaq üçün maqnetron və ya bərk vəziyyət mənbəyindən istifadə edir. 

Yüksək fokuslanmış elektromaqnit sahəsi stabil plazma topu yaratmaq üçün buradakı reaksiya qazları metan və hidrogeni parçalayır. Elektronla zəngin, ionla zəngin və aktiv atom qrupları müvafiq temperatur və təzyiqdə substratda nüvələşəcək və böyüyərək yavaş-yavaş homoepitaksial böyüməyə səbəb olacaq. HFCVD ilə müqayisədə, isti metal telin buxarlanması nəticəsində yaranan almaz filminin çirklənməsinin qarşısını alır və nano almaz filminin saflığını artırır. Prosesdə HFCVD-dən daha çox reaksiya qazı istifadə edilə bilər və çökdürülmüş almaz tək kristalları təbii almazlardan daha təmizdir. Buna görə də, optik dərəcəli almaz polikristal pəncərələr, elektron dərəcəli almaz tək kristalları və s. hazırlana bilər.

Şəkil 6 MPCVD-nin daxili strukturu

Almazın inkişafı və dilemması

İlk süni almaz 1963-cü ildə uğurla inkişaf etdirildiyindən, 60 ildən çox inkişafdan sonra mənim ölkəm dünyanın 90%-dən çoxunu təşkil edərək, dünyada ən çox süni almaz hasil edən ölkəyə çevrildi. Bununla belə, Çinin almazları əsasən aşağı səviyyəli və orta səviyyəli tətbiq bazarlarında, məsələn, aşındırıcı daşlama, optika, kanalizasiya təmizlənməsi və digər sahələrdə cəmlənir. Yerli almazların inkişafı böyükdür, lakin güclü deyil və yüksək səviyyəli avadanlıq və elektron dərəcəli materiallar kimi bir çox sahədə dezavantajlıdır. 

CVD almazları sahəsində akademik nailiyyətlər baxımından ABŞ, Yaponiya və Avropadakı tədqiqatlar aparıcı mövqedədir və mənim ölkəmdə nisbətən az orijinal tədqiqat var. "13-cü Beşillik Plan"ın əsas tədqiqat və inkişafının dəstəyi ilə yerli birləşdirilmiş epitaksial böyük ölçülü almaz tək kristalları dünyanın birinci dərəcəli mövqeyinə sıçradı. Heterojen epitaksial monokristallar baxımından hələ də "14-cü Beşillik Planı" nda ötüb keçə bilən ölçü və keyfiyyət baxımından böyük bir boşluq var.

Dünyanın hər yerindən olan tədqiqatçılar almazların optoelektronik cihazlarda tətbiqini reallaşdırmaq və insanların çoxfunksiyalı material kimi almaza olan gözləntilərini ödəmək üçün almazların böyüməsi, dopinqlənməsi və qurğuların yığılması ilə bağlı dərin araşdırmalar aparıblar. Bununla belə, almazın bant boşluğu 5,4 eV qədər yüksəkdir. Onun p-tipli keçiriciliyinə bor dopinqi ilə nail olmaq olar, lakin n-tipli keçiriciliyi əldə etmək çox çətindir. Müxtəlif ölkələrdən olan tədqiqatçılar azot, fosfor və kükürd kimi çirkləri qəfəsdəki karbon atomlarını əvəz etmək şəklində monokristal və ya polikristal almaza çevirmişlər. Bununla belə, dərin donor enerji səviyyəsi və ya çirklərin ionlaşmasının çətinliyi səbəbindən yaxşı n-tipli keçiricilik əldə edilməmişdir ki, bu da almaz əsaslı elektron cihazların tədqiqatını və tətbiqini xeyli məhdudlaşdırır. 

Eyni zamanda, geniş sahəli monokristal almazı monokristal silikon vaflilər kimi böyük miqdarda hazırlamaq çətindir, bu da almaz əsaslı yarımkeçirici cihazların inkişafında başqa bir çətinlikdir. Yuxarıdakı iki problem göstərir ki, mövcud yarımkeçirici dopinq və cihazın inkişafı nəzəriyyəsi almaz n-tipli dopinq və qurğuların yığılması problemlərini həll etmək çətindir. Digər dopinq üsulları və əlavələri axtarmaq, hətta yeni dopinq və cihazların inkişaf prinsipləri hazırlamaq lazımdır.

Həddindən artıq yüksək qiymətlər də almazların inkişafını məhdudlaşdırır. Silisiumun qiyməti ilə müqayisədə silisium karbidinin qiyməti silisiumdan 30-40 dəfə, qalium nitridin qiyməti silisiumdan 650-1300 dəfə, sintetik almaz materialların qiyməti isə silikondan təxminən 10.000 dəfə yüksəkdir. Çox yüksək qiymət almazların inkişafını və tətbiqini məhdudlaşdırır. Xərcləri necə azaltmaq inkişaf dilemmasını qırmaq üçün bir sıçrayış nöqtəsidir.

Outlook

Hal-hazırda almaz yarımkeçiricilər inkişafda çətinliklərlə üzləşsələr də, onlar hələ də yüksək güclü, yüksək tezlikli, yüksək temperaturlu və aşağı enerji itkili elektron cihazların növbəti nəslinin hazırlanması üçün ən perspektivli material hesab olunurlar. Hal-hazırda, ən isti yarımkeçiricilər silisium karbid tərəfindən işğal edilir. Silikon karbid almaz quruluşuna malikdir, lakin atomlarının yarısı karbondur. Buna görə də onu yarım almaz kimi qəbul etmək olar. Silisium karbid silikon kristal dövründən almaz yarımkeçiricilər dövrünə keçid məhsulu olmalıdır.

“Brilyantlar əbədidir, bir almaz isə əbədidir” ifadəsi De Beersin adını bu günə qədər məşhur edib. Almaz yarımkeçiricilər üçün başqa cür şöhrət yaratmaq daimi və davamlı kəşfiyyat tələb edə bilər.

VeTek Semiconductor peşəkar Çin istehsalçısıdırTantal karbid örtüyü, Silikon Karbid Kaplama, GaN məhsulları,Xüsusi Qrafit, Silikon karbid keramikavəDigər yarımkeçirici keramika. VeTek Semiconductor yarımkeçirici sənayesi üçün müxtəlif Kaplama məhsulları üçün qabaqcıl həllər təqdim etməyə sadiqdir.

Hər hansı bir sualınız varsa və ya əlavə məlumatlara ehtiyacınız varsa, bizimlə əlaqə saxlamaqdan çəkinməyin.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-poçt: anny@veteksemi.com